摘要：对三相桥式逆变电路原理及其 SPWM 控制原理进行简单的分析，针对开环 SPWM 电压的不稳定提出一种电压闭环 SPWM 控制模型。在 Matlab/Simulink 软件环境中分别建立了三相 SPWM 逆变器开环仿真模型和具有电压调节作用的 SPWM 闭环仿真模型，分别对其进行仿真分析。仿真结果表明电压闭环 SPWM 控制比开环 SPWM 控制具有更好的动静态特性。得出的结论对三相桥式逆变器的原理的理解、参数的确定、电路的设计有一定的参考价值和指导意义。
1．引言
三相无源电压型SPWM逆变器就是通过PWM技术把直流电变换成交流电的装置。相对于整流器将交流电转换为固定电压下的直流电而言，逆变器可把直流电变换成频率、电压固定或可调的交流电，称为DC-AC变换。这是与整流相反的变换，因而称为逆变[1] 。MATLAB软件具有强大的数值计算功能,本文利用MATLAB/Simulik为SPWM逆变电路建立系统仿真模型，并对其输出特性进行仿真分析。SPWM技术成为目前应用最为广泛的逆变PWM技术。
2．三相电压型桥式逆变电路
三相电压型桥式逆变电路如图1所示，该电路采用双极性的控制方式，其基本的工作方式是180度的导电方式，每个桥臂的导电角度为180度，同一相（即同一桥臂）上下两个桥臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120度。这样在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个臂下面两个臂，也可能是上面两个桥臂下面一个桥臂同时导通。因为每次换相都是用一相上下两个桥臂之间进行，因此也被称为纵向换流。为了防止同一相上下两个桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源短路，要采取“先断后通”的方法。当Uru>Uc时，给上桥V1臂以导通信号，给下桥臂V4以关断信号，则U相相对于电源假想中点N'的输出电压UuN'=Ud／2。当Uru<Uc时，给V4导通信号，给V1关断信号，则UuN'=-Ud／2。V1和V4的驱动信号始终是互补的。当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是二极管VD1(VD4)续流导通[1-2]。
图1 三相电压型桥式逆变电路 Fig.1 The three-phase voltage type inverter circuit 可以看出，V相及W相的控制方式都和U相同。当桥臂1和6导通时，Uuv=Ud，桥臂3和4导通时，Uuv=-Ud，当桥臂1和3或桥臂4和6导通时，Uuv=0。因此，逆变器的输出线电压PWM波由+Ud和-Ud还有0三种电平构成。 3．SPWM逆变器的基本工作原理 我们所用的PWM原理是:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM是通过改变方波的占空比来改变等效的输出电压。特点是通用性强，原理简单，具有开关频率固定，控制及调节性能好，能消除谐波，结构设计简化易懂，是一种较好的波形改善方法。我们所用的SPWM是根据面积等效原理，PWM波形和正弦波是等效的，对于正弦波的负半周也可以用同样的方法得到PWM波 形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和 正弦波等效的PWM波，也称为SPWM波。 就是在PWM的基础上改变了脉冲调制方式。脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列，
这样的输出波形经过适当的滤波就可以得到正弦波输出。它广泛的应用到直流交流逆变器等。SPWM法就是利用脉冲宽度按正弦规律变化和正弦波等效的PWM波形，即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断[2-3]。其双极型PWM控制方式波形如图2所示 图2 双极型PWM控制方式波形 Fig.2 bipolarPWM waveform control method 4．三相无源电压型SPWM逆变器的建模与仿真 4.1三相电压源SPWM逆变器的simulik建模 常见的逆变器有开环和闭环两种控制方式，开环控制的逆变器具有电路结构和控制简单，但是其输出电压非常不稳定。而闭环控制正好可以克服开环电压输出不稳定的缺点。反馈环节是通过实时监测三相输出电压，然后通过信号的处理再与基准电压进行比较通过PI调节产生SPWM波，实时地调节逆变器的输出电压的幅值，以满足实际要求。图3a SPWM逆变闭环系统的反馈环节，系统框图3b的仿真模型可以在开环和闭环仿真之间切换。
图3a SPWM逆变器的反馈环节 Fig.3a The feedback part of SPWM inverter
图3b SPWM逆变器的仿真模型 Fig.3b The simulation model of SPWM inverter
4.2 其他参数设置
直流侧的电压都设置为580V,输出频率都设置为50Hz。系统主回路选用IGBT作为开关器件，为了减少输出电压的谐波，逆变器输出端接LC滤波电路，L=2mH,=4Kvar，负载端串联断路器breaker的方法来设置负载的跳变。仿真算法选用ode45算法，仿真时间为0.1s。
5．仿真结果及仿真特性分析 2、图4所示分别为开环SPWM控制和闭环SPWM控制的三相电压及有效值仿真波形图。
图4a 开环SPWM控制三相电压波形图 Fig.4a voltage waveforms of open loop SPWM control
图4b 闭环SPWM控制三相电压波形图 Fig.4b voltage waveforms of closed loop SPWM control 其中在0.05s时负载从初始值60kW跳变到70kW。从仿真输出的三相相电压可以看出，当负载突变时开环SPWM控制电压将随负载变化，启动瞬间三相的电压波动较大，稳态时电压降低了约15v,有效值约降了25v。而电压闭环SPWM控制电压将会很快稳定回到设定值，具有很好的稳定性和动态特性。
4．结论 通过上面所述的用Matlab/Simulink对三相无源电压型SPWM逆变器进行了建模与仿真，证明了Matlab/Simulink有比较好的用户界面和模型结构，为用到仿真的广大用户提供了足够的电力电子器件，仿真结果清 晰可靠。 此次的建模过程让我受益匪浅，对于三相无源电压型SPWM逆变器的工作原理又有了进一步的了解，弥补了以前不会的内容。比如，1）SPWM控制技术控制逆变器在经过适当的滤波可以很好的把直流电逆变成我们所需要的交流电；2）负载的突变可以影响逆变的输出电压。3）通过电压闭环控制的反馈作用可以稳定逆变器的电压输出，其稳态特性和动态特性都很好。
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